樓道搬水裝置的設計與研究

宋宇航，程清偉，郭 湃，張振裕，趙 可

（廣州城市理工學院汽車與交通工程學院，廣東 廣州 510800）

0 引言

我國桶裝水的需求量十分巨大，然而送水方式都是采用人工搬水送到家家戶戶門口，因此，研發(fā)一款可以實現(xiàn)智能爬樓道送水的裝置是十分有必要的。

如今同類型搬運裝置一般結(jié)構(gòu)復雜，使用局限性大；需要在地面貼上黑條，搬運裝置才會沿著設定路線行走，路線單一且影響場地美觀。搬運裝置的運動機構(gòu)限定了該搬運機器車只能在水平地面上運動，不能實現(xiàn)搬運貨物上樓梯的功能，裝卸貨物都需要人工搬運。

基于上述問題，限制了國內(nèi)市場搬運桶裝水裝置的創(chuàng)新與發(fā)展。因此設計出一款適合普通家庭或宿舍的樓道搬水裝置變得尤為重要。本文講述一臺適合我國桶裝水搬運的可行性機構(gòu)。

1 樓道搬水裝置結(jié)構(gòu)設計

1.1 樓道搬水裝置整體結(jié)構(gòu)的設計

本設計是一款集桶裝水裝卸技術(shù)、樓道搬運技術(shù)、STM32 控制技術(shù)、無線模塊控制技術(shù)等四大核心技術(shù)組成的一種集裝夾、裝卸、搬運為一體的多功能樓道搬水裝置。裝置通過裝載架上的工裝定位設計，確保桶裝水在上下樓梯過程中不會掉落。同時，整個裝置均采用電和氣作為動力源，實現(xiàn)零排放，達到節(jié)能減排的目的。

基于STM32 單片機控制的樓道搬水裝置的整體框架是兩部分構(gòu)成，分別為機械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)，機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示：①機械結(jié)構(gòu)由特殊的裝夾手、水桶裝載架、二級齒輪運動機構(gòu)、差速鎖、穩(wěn)定支撐臂等組成；②電控系統(tǒng)由STM32 單片機控制模塊、信號接收模塊、電子攝像頭、液晶顯示屏等設備組成。

圖1 結(jié)構(gòu)設計

其中，機械部分主要由底盤、裝夾手、二級齒輪運動機構(gòu)等組成，其中底盤使用Q235 作為原材料制作；動力系統(tǒng)組成有電機、電機固定座、齒輪副和AirTAC 小型氣缸等組成。電機主要為裝置的平地運作和上下樓梯提供動力，桶裝水的裝夾和裝卸則由AirTAC 小型氣缸提供動力，即保證了裝卸的可靠性也保證了裝置整體的零排放。

1.2 上樓搬運機構(gòu)

上樓搬運機構(gòu)同樣采用無刷直流電機作為動力源。與無刷直流電機輸出軸相連接的齒輪采用模數(shù)5，齒數(shù)15 的正齒輪，與無刷直流電機軸端齒輪相連的正齒輪參數(shù)為模數(shù)5，齒數(shù)45，傳動比為15:45，也就是無刷直流電機端部齒輪旋轉(zhuǎn)三圈，與之嚙合的齒輪才旋轉(zhuǎn)一圈，有效避免小型無刷直流電機力矩不足的缺點。再基于行星齒輪機構(gòu)進行改造，在上樓搬運時，太陽輪不動，由齒圈直接驅(qū)動行星輪翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)上樓搬運功能。得益于無刷直流電機的特性，使搬運機構(gòu)起步時具有較大的大扭矩，且無刷直流電機的結(jié)構(gòu)簡單，更便于維護。平地搬運機構(gòu)的三維設計如圖2所示。

圖2 上樓搬運機構(gòu)三維設計

2 樓道搬水裝置的電控組成部分

2.1 MCU 模塊

MCU 選型是樓道搬水裝置電控部分的核心關(guān)鍵。本裝置采用了STM32F103VET6 單片機作為控制系統(tǒng)處理器，能夠滿足超大量數(shù)據(jù)包括高精度浮點數(shù)等運算，在視頻以及圖像處理方面表現(xiàn)優(yōu)異，攝像頭則向STM32 單片機提供路面的影像，實時反饋路面的狀況，電控系統(tǒng)則根據(jù)影像信號控制搬水裝置做出適當?shù)谋茏?。用戶可以通過智能手機查看搬運裝置的工作狀況，如圖3所示。

圖3 裝置電子控制

2.2 電磁閥與繼電器模塊

本設計選用了受控電壓為12V 的二位五通電磁閥。因為單片機的輸出電壓較小，僅有3～5V，與受控電磁閥12V 電壓差距較大，為此，引入了繼電器模塊。繼電器的工作原理在本質(zhì)上是一個受控于外部電流的雙向開關(guān)，具有常開端與常閉端，根據(jù)外部輸入的高低電平，繼電器的雙向開關(guān)自動地切換常開端與常閉端與公共端的通斷情況用。在本設計中，選用的是帶光耦的電磁型8 路繼電器模塊。

3 樓道搬水裝置的工作過程及控制

3.1 工作過程

本裝置的工作過程：調(diào)試好相關(guān)參數(shù)后，裝夾手開始運作，對準桶身瓶頸夾緊后，支撐穩(wěn)定臂伸出，小型氣缸推動裝載架，裝載架將桶裝水搬上底盤，隨后二級齒輪運動機構(gòu)開始運作，在平地行走與上下樓梯之前切換運動模式。到達指定目的后，小型氣缸再次推動裝載架，放下桶裝水后裝夾手松開，放下桶裝水。整體工作流程如圖4 所示。

圖4 整體工作流程

3.2 樓道搬水裝置的手機APP 控制界面

根據(jù)搬水裝置的工作特點，模擬了可由智能手機控制的APP軟件，操作界面如圖5 所示。

圖5 APP 操作界面

APP 操作步驟如下：①點擊“控制電源總開關(guān)”旁邊的off-on按鈕，即可打開樓道搬運裝置的總開關(guān)。②在“裝置行駛速度”選項中選擇合適的行駛速度。③按照以上步驟即可完成裝置對桶裝水的裝卸和搬運等基本的操作，如需實時操控，可點擊“實時操控”按鈕，實現(xiàn)完全自主實時控制。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)搬運裝置體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜、購買成本高、后期維護成本高，本裝置在設計理念上，針對桶裝水結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小。在運作時不會影響用戶正常行走，并且具備遠程操控作業(yè)的功能，減少勞動強度從而降低人工成本。城市與農(nóng)村的經(jīng)濟發(fā)展都非常迅速，很多農(nóng)村居民也體驗上了桶裝水的便利，而市場上暫時還沒有針對桶裝水設計的搬運裝置，如果像城市有大量桶裝水用戶的情況，都是靠人工來搬運，其中就產(chǎn)生了較高的人工成本、工作效率低等問題。相比本裝置，集裝夾、裝載、搬運、卸載于一體，不僅可以完成一次性作業(yè)，并且對環(huán)境無任何破壞。

搬水裝置在日后能做到一機多用、工作穩(wěn)定可靠、無污染、自動化程度高、適應性強的樓道搬運裝置。